第一章傳感器

第一節(jié)傳感器的重要性（Theimportanceofsensor)一、傳感器的重要性（Theimportanceofsensor)

人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經過大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。

同樣，如果用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當于人的五官部分（“電五官”）?？捎孟聢D表示

圖0.1

身體與機器人的對應關系傳感器是獲取自然領域中信息的主要途徑與手段

作為人腦的一種模擬的電子計算機的發(fā)展極為迅速，可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻發(fā)展很慢，因而引起了人們的普通關注，如果不進行傳感器的開發(fā)，現(xiàn)在的電子計算機將處于一種不能適應實際需要的狀態(tài)。如上圖所示，如同為了很好的將體力勞動和腦力勞動進行協(xié)調一樣，也要求傳感器、電子計算機和執(zhí)行器三者都能相互協(xié)調才行。

當傳感器技術在工業(yè)自動化、軍事國防和以宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)為代表的尖端科學與工程等重要領域廣泛應用的同時，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關的方面滲透；生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、安全防范、家用電器、網絡家居等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。例如：1.在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位….在防盜防入侵地報警裝置中也裝有紅外傳感器。

2.美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器---OICW

圖0.2圖0.3夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術激光測距儀：可精確的定位目標。在發(fā)射20毫米高爆彈時，激光測距儀可將目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設定引爆時間。3.汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關鍵部件，核心技術內容。普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的工作狀況信息，對發(fā)動機工作狀況進行精確控制溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等。

底盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機轉速、水溫、油溫車身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等。溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等。圖0.4汽車傳感器示意圖4.數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器。自動感應燈：亮度檢測---光敏電阻；空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶；電話、麥克風：話音轉換---駐極電容傳感器。遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管；可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD辦公商務：掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器。電子血壓計：血壓檢測---壓力傳感器。血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器二.傳感器的作用（Thefunctionofsensor)

傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號。傳感器所檢測的信號近來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。

為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。因此作為一種功能塊的傳感器可狹義的定義為：“將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件?！比缦聢D所示：圖0.5第二節(jié)傳感器的定義和組成

（DefinitionandComposingofsensor）一.傳感器的定義（Thedefinitionofsensor)

根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665——87），傳感器（Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。

第二節(jié)傳感器的定義和組成

（DefinitionandComposingofsensor）傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測量轉換成與之有確定關系的、便于應用的某種量值的測量裝置。顧名思義，傳感器的功能是一感二

傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應由三部分組成，即：敏感元件、轉換元件、轉換電路傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。其包含以下幾個方面的意思：

1.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務2.它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等3.輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。4.輸入輸出有對應關系，且應有一定的精確度。

二.傳感器的組成(Thecomposingofsensor)

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成：

1.敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。2.轉換元件（Transductionelement）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉換成電路參數(shù)。

3.轉換電路（Transductioncircuit）：上述電路便可轉換成電量輸出。

實際上，有些傳感器很簡單參數(shù)接入轉換電路，，僅由一個敏感元件（兼作轉換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量。如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路。有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次轉換。圖0.6傳感器組成示意圖第三節(jié)傳感器的分類與命名

（CategoryandRequestofsensor）一.傳感器的分類（Thecategoryofsensor）傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：一種是以被測量來分，另一種是以傳感器的原理來分。表0.1

按被測量來分類被測量類別被

測

量熱工量溫度、熱量、比熱；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風速機械量位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應力；重量、質量；轉速、線速度；振動幅度、頻率、加速度、噪聲物性和成分量氣體化學成分、液體化學成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度、粘度；密度、比重狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質量表0.2

按傳感器的原理來分類序號工作原理序號工作原理1電阻式8光電式（紅外式、光導纖維式）2電感式9諧振式3電容式10霍爾式（磁式）4阻抗式（電渦流式）11超聲式5磁電式12同位素式6熱電式13電化學式7壓電式14微波式二.傳感器的一般要求(Therequestofsensor)由于各種傳感器的原理、結構不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術指標也不可能相同，但是有些一般要求卻基本上是共同的：a.足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。b.靈敏度高，精度適當——即要求其輸出信號與被測信號成確定的關系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求。c.響應速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。

d.使用性和適應性強——體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響??；內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統(tǒng)對接。e.使用經濟——成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。當然，能完全滿足上述性能要求的傳感器是很少的。我們應根據(jù)應用的目的、使用環(huán)境、被測對象狀況、精度要求和原理等具體條件作全面綜合考慮。綜合考慮的原則、性能及指標，將在第一章中詳細討論。三傳感器命名與代號1.3.1傳感器的命名由主題詞加四級修飾語構成。

I.

主題詞——傳感器；II.

第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語；III.

第二級修飾語——轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字；IV.

第三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、

敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字；

V.第四級修飾語——主要技術指標（量程、精確度、靈敏度等）。例：題中的用法：在有關傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合，應采用上述之順序：如：傳感器，位移，應變[計]式，100mm；正文中的用法：在技術文件、產品樣本、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產品名稱應采用與上述相反的順序。如：10mm應變式位移傳感器。由主題詞加四級修飾語構成

1.3.2傳感器的代號依次為主稱（傳感器）被測量—轉換原理—序號I.

主稱——傳感器，代號C；II.

被測量—用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。

III.

轉換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。見附錄表3：常用轉換原理代碼表；IV.序號——用一個阿拉伯數(shù)字標記，廠家自定，用來表征產品設計特性、性能參數(shù)、產品系列等。若產品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。例：應變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2。第四節(jié)

檢測技術基礎一、檢測技術的概念與作用

1、檢測與測量：檢測是意義更為廣泛的測量

測量：以確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作檢測技術：測量+信號檢出（極為重要）檢測過程：信息提取、信號轉換存儲與傳輸、顯示記錄、分析處理檢測技術：檢測方法、檢測結構、檢測信號處理---綜合性技術2、檢測的分類被測量值的物理屬性：電量、非電量檢測原理（物理的、化學的、生物學的）：電磁法、光學法、微波法、超聲法、核輻射法、電化學分析、色譜分析、質譜分析等檢測方法：主動和被動、直接與間接、接觸式與非接觸式、動態(tài)和靜態(tài)3、測量單位測量：被測量基準量倍數(shù)（結果）單位避免混亂----國際單位制（SI）：比較SI基本單位：七個物理量單位---相互獨立長度（m）質量（kg）時間（s）電流（A）熱力學溫度（K）物質的量（mol）光量（cd）

米----光在真空中1s時間內傳播距離的1/299792485實物單位----千克標準原器SI組合單位：由基本單位導出能量（J）=力距離=質量加速度距離J=kg（m/s2）m=m2·kg/s2能量---焦（耳）：長度、質量、時間大得多/小得多----詞頭：mm、m、nm（10-9m）；kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）二、檢測技術的作用與意義1、產品檢驗和質量控制的重要手段被動檢測主動檢測（在線檢測）質量控制領域2、在大型設備安全經濟運行監(jiān)測中得到廣泛應用故障監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測保證設備和人員安全提高經濟效益3、自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分生產過程：“物流”“信息流”檢測獲取信息分析判斷自動控制自動化：信息獲取、信息轉換、信息處理、信息傳送、信息執(zhí)行4、檢測技術的完善和發(fā)展推動著現(xiàn)代科學技術的進步檢測手段水平決定科學研究的深度和廣度理論研究成果離不開必要的檢測手段控制管理數(shù)量狀態(tài)趨向三、檢測系統(tǒng)構成信息獲取轉換顯示和處理（信號檢出部分）（信號變換部分）（分析處理部分、通信接口及總線）圖0.71、信號檢出部分傳感器（Sensor）----檢出功能的器件信號提?。ū粶y量）、傳輸（信號變換部分）特點：1）輸出量為電壓、電流、頻率電阻、電容、電感兩種：數(shù)字量、模擬量2）輸出的電信號一般較微弱：電壓----毫伏級、微伏級；電流----毫安級、納安級3）輸出信號與噪聲混雜在一起----傳感器內部噪聲傳感器的信噪比小、輸出信號弱----信號淹沒在噪聲中4）傳感器的輸出特性呈線性或非線性5）外界環(huán)境的變化會影響傳感器的輸出特性選擇：測量精度要求、被測量變化范圍、被測對象所處的環(huán)境條件以及對傳感器體積和整個檢測系統(tǒng)的成本等的限制。檢測系統(tǒng)中形式最多樣、與被測對象關聯(lián)最密切的部分。2、信號變換部分檢出信號適合于分析和處理的信號信號調理電路阻抗變換----輸出阻抗很高時；信號放大----輸出信號微弱時；噪聲抑制----信號淹沒在噪聲中；電壓/電流（V/A）轉換----需要電流輸出時；模擬/數(shù)字（A/D）轉換----需要輸出數(shù)字信號時目的：1）對傳感器的輸出量變換成易于處理或放大的量；2）消除或抑制傳感器輸出量中的無用信號；3）提高測量、分析的準確度；4）簡化后續(xù)系統(tǒng)的組成。3、分析處理部分不斷注入新內容----檢測系統(tǒng)的研究中心計算機系統(tǒng)----強大問題分析能力、復雜系統(tǒng)的實時控制自動化、智能化4、通信接口與總線部分功能：管理不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換接口---分系統(tǒng)和上位機之間/分系統(tǒng)之間交換信息通用標準接口---不同的系統(tǒng)尤其是不同廠家的產品能夠互聯(lián)USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行（硬件系統(tǒng)）總線：傳送數(shù)字信號的公共通道----信號線的集合（規(guī)范、結構形式）RS-232C、VXI、Centronics（并行）四、檢測方法選擇：被測量的性質、特點和測量任務要求分類：（1）按測量手續(xù)：直接測量、間接測量（2）按測量值的獲得方式：偏移法測量、零位法測量、差分式測量（3）按傳感器與被測對象是否直接接觸：接觸式測量、非接觸式測量（4）根據(jù)對象變化的特點：靜態(tài)測量、動態(tài)測量

1、直接測量與間接測量直接測量----與同類基準進行簡單的比較以得到被測量線紋尺----物體尺寸、天平----物體重量間接測量----被測量無法或不易進行直接測量負載電阻功率=電壓電流目標變量自變量（直接測量）（關系）2、偏移法與零位法測量1）偏移法---完全從被測量中獲得信號轉換所需能量例：彈簧秤2）零位法---不從信號源獲得能量3、差分式測量結構：對稱結構的兩個傳感器，被測量反對稱作用在兩個傳感器上作用：消除干擾的影響測量原理線性化、提高靈敏度（常見檢測結構形式）

測量誤差高精度測量圖0.8差分結構4、隨動跟蹤測量---基于零位法的測量例：高精度電子秤、伺服加速度計、高精度壓力傳感器

高精度測量圖0.9五、檢測系統(tǒng)的基本組成

一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。圖0.10給出了檢測系統(tǒng)的組成框圖。力位移

速度

加速度

壓力流量溫度電阻式電容式電感式壓電式熱電式光電式磁電式電橋

放大器濾波器調制器解調器運算器

阻抗變換器

筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄儀電子示波器半導體存儲器顯示器磁卡數(shù)據(jù)處理器

頻譜分析儀

FFT

實時信號分析儀

電子計算機

被測對象

傳感器

中間變換測量裝置

顯示及記錄裝置

實驗結果處理裝置

激發(fā)裝置

圖0.10檢測系統(tǒng)的具體組成圖0.11圖0.11.1傳感器

傳感器是把被測量(如物理量、化學量等)轉換成電學量的裝置，顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，檢測系統(tǒng)獲取信息的質量往往是由傳感器的性能一次性確定的，因為檢測系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)無法添加新的檢測信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。檢測技術中使用的傳感器種類繁多，分類的方法也各不相同。從傳感器應用的目的出發(fā)，可以按被測量的性質將傳感器分為：機械量傳感器，如位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等；熱工量傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等；化學量傳感器；生物量傳感器等。從傳感器研究的目的出發(fā)，著眼于變換過程的特征可以將傳感器按輸出量的性質分為：I.

參量型傳感器它的輸出是電阻、電感、電容等無源電參量，相應的有電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器等。Ⅱ.發(fā)電型傳感器它的輸出是電壓或電流，相應的有熱電隅傳感器、光電傳感器、磁電傳感器、壓電傳感器等。1.2測量電路

測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉換成易于測量的電壓或電流信號。通常傳感器輸出信號是微弱的，就需要由測量電路加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進行阻抗匹配、微分、積分、線性化補償?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。應當指出測量電路的種類和構成是由傳感器的類型決定的，不同的傳感器所要求配用的測量電路經常具有自己的特色。

1.3顯示記錄裝置

顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解檢測數(shù)值的大小或變化的過程。目前常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示三種。模擬式顯示是利用指針對標尺的相對位置表示被測量數(shù)值的大小。如各種指針式電氣測量儀表、其特點是讀數(shù)方便、直觀，結構簡單、價格低廉，在檢測系統(tǒng)中一直被大量應用。但這種顯示方式的精度受標尺最小分度限制，而且讀數(shù)時易引入主觀誤差。數(shù)字式顯示則直接以十進制數(shù)字形式來顯示讀數(shù)，實際上是專用的數(shù)字電壓表，它可以附加打印機，打印記錄測量數(shù)值．并且易于和計算機聯(lián)機，使數(shù)據(jù)處理更加方便。這種方式有利于消除讀數(shù)的主觀誤差。圖像顯示，如果被測量處于動態(tài)變化之中，用顯示儀表讀數(shù)就十分困難，這時可以將輸出信號送至記錄儀，從而描繪出被測量隨時間變化的曲線，作為檢測結果，供分析使用。常用的自動記錄儀器有筆式記錄儀、光線示波器、磁帶記錄儀。六、檢測技術的發(fā)展趨勢

科學技術的迅猛發(fā)展，為檢測技術的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在兩個方面：第一、人們研究新原理、新材料和新工藝所取得的成果將產生更多品質優(yōu)良的新型傳感器。例如光纖傳感器、液晶傳感器、以高分子有機材料為敏感元件的壓敏傳感器、微生物傳感器等。

另外，代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺的各種仿生傳感器和檢測超高溫、超高壓、超低溫和超高真空等極端參數(shù)的新型傳感器也是今后傳感器技術研究和發(fā)展的重要方向。新型傳感器技術除了采用新原理、新材料和新工藝之外，還向著高精度小型化和集成化的方向發(fā)展。傳感器集成化的一個方向是具有同樣功能的傳感器集成化。從而使對一個點的測量變成對一個平面和空間的測量。例如。利用電荷耦合器件形成的固體圖像傳感器來進行的文字和圖形識別即是如此。

傳感器集成化的另一個方向是不同功能的傳感器集成化，從而使一個傳感器可以同時測量不同種類的多個參數(shù)。例如，測量血液中各種成分的多功能傳感器。除了傳感器自身的集成化之外，還可以把傳感器和后續(xù)電路集成化。傳感器和測量電路的集成化可以減少干擾，提高靈敏度，方便使用。如果將傳感器和數(shù)據(jù)處理電路集成在一起。則可以方便地實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理。

第二，檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。帶有微處理機的各種智能化儀表已經出現(xiàn)，這類儀表選用微處理機做控制單元，利用計算機可編程的特點，使儀表內的各個環(huán)節(jié)自動地協(xié)調工作，并且具有數(shù)據(jù)處理和故障診斷功能，成為一代嶄新儀表，把檢測技術自動化推進到一個新水平。第五節(jié)測量誤差的概念及其處理方法一、測量及測量方法1、測量測量是指人們用實驗的方法，借助于一定的儀器或設備，將被測量與同性質的單位標準量進行比較，并確定被測量對標準量的倍數(shù)，從而獲得關于被測量的定量信息。測量過程中使用的標準量應該是國際或國內公認的性能穩(wěn)定的量，稱為測量單位。

測量的結果包括數(shù)值大小和測量單位兩部分。數(shù)值的大小可以用數(shù)字表示，也可以是曲線或者圖形。無論表現(xiàn)形式如何，在測量結果中必須注明單位。否則，測量結果是沒有意義的。測量：被測量基準量倍數(shù)（結果）單位比較一切測量過程都包括比較、示差、平衡和讀數(shù)等四個步驟。例如，用鋼卷尺測量桿件長度時，首先將卷尺拉出與桿件緊靠在一起，進行“比較”；然后找出卷尺與桿件的長度差別，即“示差”；進而調整卷尺長度使二者長度相等，達到“平衡”；最后從卷尺刻度上讀出桿件的長度，即“讀數(shù)”。測量過程的核心是比較，但被測量能直接與標準量比較的場合并不多，大多數(shù)情況下，是將被測量和標準量變換成雙方易于比較的某個中間變量來進行的。例如，用彈簧秤稱重。被測重量通過彈簧按比例伸長，圖1.12直接測量示意圖圖1.13間接測量示意圖轉換為指針位移而標準重量轉換成標尺刻度。這樣，被測量和標準量都轉換成位移這一中間變量，就可以進行直接比較。此外，為了提高測量精度，并且能夠對變化快、持續(xù)時間短的動態(tài)量